神华神东煤炭集团有限责任公司工程管理部 陕西省神木县 719315
引言
众所周知，煤炭是我国重要的化石能源，在经济发展中具有重要地位，在能源消耗结构中，煤炭行业保持在六到七成左右。在煤炭开采的过程中，会不可避免地大量排放矿井水，这些含有众多悬浮物等污染物的矿井水会破坏水资源，尤其是地表饮用水源和浅层地下水。现今，我国的煤矿所排矿井水水量约为42亿m3，远超整个采矿行业的半数以上，但是综合利用率却达不到30%，是所谓水资源的极大浪费。在我国诸多地区，特别是对于产煤大区而言，在其本身就为贫水地区的基础下，且“十二五”规划建设的十三个超亿吨煤炭基地建设中，有十个就是缺水地区。然而，十个缺水重灾煤矿区中，日常的煤矿生产用水早已非常紧张。每逢干旱时节，这些煤矿甚至选择不合格的生产用水进行工作。由此可见，水资源短缺的情况已严重影响了煤矿的可持续发展。因此，对矿井水的处理及再利用方面，国家给予了高度重视。在2006年，我国发布了《中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》中第六篇《建设资源节约型、环境友好型社会》中指出“积极开展海水淡化，海水直接利用和矿井水利用”。综上所述，矿井废水问题的处理在解决国家层面的战略部署和要求意义重大。
一． 工程概况
神东集团石圪台煤矿原井下水处理站设计处理能力为400m3/h，处理工艺为：调节池→机械搅拌斜管沉淀池→中间水箱→纤维过滤器→最终出水
由于出水水质较差，难以达标，导致纤维过滤器已堵塞，在实际中已无法使用。而由于沉淀池、过滤器面积过小，过滤器过滤形式不适应水质特点等原因，自该厂调试运行以来，其处理水量最大为200m³/h，且运行一直不稳定。井下实际最大排水能力为800 m3/h，现有的净水设备无法满足使用要求，需进行扩建改造。
二．石圪台煤矿矿井水处理厂实际运行工艺流程
石圪台煤矿矿井水处理工艺在实际工艺流程如下图2.1所示。
图2.1 石圪台煤矿矿井水实际处理工艺流程
该工程工艺运行存在问题如下：
（1）矿井水排水先经过调节水池进行水量水质调节后进入斜管沉淀池，在斜管沉淀池中进行絮凝沉淀反应后进入中间水箱，中间水箱出水进入纤维球过滤器，由于水质指标不合格，过滤器已基本堵死经起不到过滤作用。
（2）斜管沉淀池和中间水箱中的污泥排入污泥池，在污泥池经过浓缩后进入污泥浓缩设备，在污泥浓缩设备中进一步浓缩后进入压滤机，由于水量的增加，污泥量也同时增加，加之现有污泥池均为方形池体构造，浓缩效果较差，现有污泥压滤机一直处于超负荷运行状态，带式压滤机故障率比较高，压滤效果较差，污泥压滤系统无法满足处理能力，影响正常运行。
（3）由于压滤效果较差，大量滤后液排入集中水池，集中水池回流至调节水池，污泥量SS越积累越大，如此进入恶性循环。
三．矿井水处理技术选择
目前，针对矿井水的处理技术和处理设施而言，应根据原水水质以及最终用水要求来确定。从待处理矿井废水水质出发，根据目标水质的要求选择资源化技术，应做到如下原则：因矿制宜、因水制宜。
根据矿井水的特性，为达到生活用水的标准，除采用常规工艺外，还需要考虑增加预处理和深度处理单元，矿井水混凝沉淀过滤后，水质可以大幅提高，但往往还含有细菌病毒等，需进行消毒，一般消毒加氯点设在清水池入口。过滤后水经消毒后，除了矿化度，其他各项指标基本可达到饮用水标准。为满足饮用水水质要求，需对消毒后的水进行除盐，一般采用电渗析除盐工艺，保证出水水质。
但是在实际生产中的矿井水大多数为复合型水。因此在设计水处理工艺时必须搞清楚水质和水量实际水文地质情况，然后考虑水处理单元的取舍和优化组合，结合实际地质情况进行处理。
四．工艺设计
4.1 设计原则
在本次工程改造实例中，对于泵房供水建（构）筑物，根据《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223－2008），应按重点设防类建（构）筑物考虑并提高一度采取抗震措施。
1.为了节约占地，功能相关联的建筑物尽量联合布置。
2.在满足工艺要求的前提下力求贯彻标准化、模数化原则。
3.工业建（构）筑物力求建立统一的建筑风格，施工图设计时对立面设计外部装修应作统筹安排，力求美观、协调和统一。
4.厂房跨度9m以上采用门式刚架结构，独立基础，保温夹芯压型钢板屋面；跨度9m及9m以下，高度6m以下的厂房采用框架结构，独立基础。
5.构配件选用陕西省标准图、煤炭系统标准图及国家标准图。
6.煤炭工业建筑中部分项目的荷载取值、防火设计及防腐设计均按《建筑设计防火规范》（GB 50016-2006）、《煤炭工业矿井设计规范》（GB 50215-2005）及《煤炭洗选工程设计规范》（GB 50359-2005）相关章节要求设计、执行。
4.2 设计依据
根据神东矿业石圪台煤矿原井下水处理站检验报告，得出进水水质如下表4.1所示：
工艺流程说明：
矿井水排水经过原调节水池进行水质水量调节后进入Actiflo高效沉淀池，在Actiflo高效沉淀池进行絮凝沉淀后进入原有中间水箱，再由二级提升泵提升至盘式过滤器过滤，过滤出水一部分进入生产消防水池回用，此部分水质必须符合《井下消防、洒水水质标准》（GB 50383-2006）要求；另一部分直接排放，此部分水质必须符合《煤炭工业污染物排放标准》（GB20426-2006）要求。
Actiflo高效沉淀池中的污泥排入污泥池，在污泥池经过浓缩后进入污泥浓缩池，污泥浓缩池中经过进一步浓缩后污泥经过螺杆泵提升至压滤机，压滤机泥饼外运。
压滤液排入污水回流池，污泥浓缩池中的上清液排入集水池，在集水池中通过水泵提升至污水回流池，然后在经水泵提升回流至调节水池进行处理。
4.4工艺核心—Actiflo高效沉淀池
4.4.1 Actiflo沉淀池组成及各部分工作过程概述
Actiflo工艺与传统的水处理技术（混凝、絮凝和沉淀）原理很相似，都使用混凝剂脱稳，高分子絮凝剂聚集悬浮物，斜板（管）沉淀去除悬浮物。Actiflo工艺的改进是加入了Actisand作为形成高密度絮体的“种子”和压载物，絮体从而具有较大的密度而更容易被沉淀去除，提高絮凝及沉淀效率。
本工程采用的高效沉淀池原理透视图如下图4.3所示。
图4.3 Actiflo 沉淀池示意图
Actiflo沉淀池包括混凝池、注射池、熟化池和沉淀池，在本工程实例中，各个部分所起到的作用可总结如下：
（1）混凝池
引起原水中浊度的自然微粒是带有负电荷的并且互相排斥从而形成了高度稳定状态。为了去除它们，首先要投加混凝剂（铝盐或铁盐）对这些微粒进行脱稳。
混凝的动力学过程非常短，混凝剂在混凝池中通过快速的机械搅拌达到快速和完全的扩散。
（2）注射池
粒径大约为100µm的微砂投加到注射池中，微砂持续循环以增加凝聚的机率，保证合适的絮体以增加它们的增长速率和重量。
另外，对于通常由于低温水或泥浆水而导致的絮凝困难，微砂可以显著的增大反应范围而得到良好的处理效果。
（3）熟化池
熟化阶段的作用是为了形成大的絮凝体。絮凝是一个物理机械过程，该过程由于分子间的作用力和物理搅拌作用而增强絮凝体的生长。阴离子高分子电解质的投加可以通过吸附，电性中和和颗粒之间的架桥作用来提高絮凝体生成。
得益于微砂的加速絮凝，在相同的沉淀性能情况下，其速度梯度相当于10倍的传统的絮凝工艺。在搅拌时间有限和絮凝体积的有限的情况下，高的絮凝动力效用导致颗粒间碰撞机率增加。
柔和的搅动水体防止打断絮体。在该阶段中尽管其搅动烈度小于先前的混凝阶段，但也足够能保持絮体的悬浮。
（4）沉淀池
沉淀效果的提高是基于：以微砂为核心的矾花密实厚重‚逆向流斜管系统增加沉淀面积；
每格沉淀池都安装蜂窝状的斜管模块。在絮凝后，水进入沉淀池的底部然后从斜管底部向上方流动至渠道。颗粒和絮体沉淀在斜管的壁上并在于重力的作用下下滑。
设计采用较大的径向速率，同时由于斜管的60度倾斜，可以形成一个连续自刮的过程。所以在斜管上不会积累絮体。由于污泥会沉淀到斜管表面，常规沉淀池常常会发生斜管堵塞，需要频繁冲洗。而Actiflo 优化的混凝和絮凝，使熟化池产生的矾花质密易沉，大部分污泥甚至在未进入斜管区时已沉淀下来。所以Actiflo 沉淀池的斜管不需要经常的冲洗。
4.4.2 Actiflo沉淀池运行主要工艺过程及设备
（1）Actisand微砂和污泥的排除
微砂加速沉淀的污泥被沉淀在池底，一台刮泥机把沉淀下的微砂和污泥混合物刮向中心坑中。污泥循环泵连续抽取集中在中心坑中的混合物，其流量依赖于进水水质。
（2）微砂和污泥的分离
循环泵把微砂和污泥输送到砂水分离器中。微砂和污泥进行分离采用离心原理，砂水分离器把微砂从污泥中分离出来的并将分离出来的微砂直接投加到注射池中。污泥从分离装置上部溢出流向至污泥池。
（3）污泥系统
砂水分离器能保证微砂和污泥的高效分离。通过砂水分离器溢流损失的微砂极少，这个损失可以间断进行手动投加补充。排除的污泥中含有很少量的微砂，且不会对污泥的性质和处理产生特别的影响，其污泥可以进行常规浓缩和脱水。微砂的补充为手动、人工投加。
（4）化学加药
本处理设施需要用到的化学药剂及消耗品主要有：聚合氯化铝，阴离子聚丙烯酰胺及微砂等。
上述所有化学药剂均需相应的储存，制备及投加系统，放置于化学加药间。
（5）自控系统
Actiflo单元是自动控制的，从而减少运行成本和保证满足水厂的要求。自控系统包括：传感器和指示器：监测液位，工艺数据等。
4.4.3工程改造说明
本工程最大限度的利用原有水处理厂设备设施，在原有400m3/h的基础上成功提标改造为800m3/h，原井下水处理站多个构筑物，包括调节池、生产消防水池、污水回流池和污泥池、综合车间等利用原有设施设备，新增Actiflo水处理设施及污泥设备，对原有矿井水处理厂进行艺改造升级。
五．工艺改造结果
通过比较其沉淀工艺、工作原理、运行方式以及占地面积等工程主要关心的参数得出，本工艺是符合石圪台煤矿矿井水的实际情况的，也做到了因地制宜的原则。
通过比较本工程改造前后的污染物出水浓度，即：COD，10 mg/L左右；SS，30 mg/L左右（平均）；石油类，2.6 mg/L；氟化物，0.9 mg/L。
结论：
本课题以神东煤炭集团石圪台煤矿矿井水处理回用工程为实例，分析了目前工艺现状以及面临的问题以及通过对矿区重新设计，进行矿井水处理回用改造工程，并对改造后的工程进行检测与经济效益分析，具体如下：
1：通过对煤矿实际考察分析，并与其它工艺进行优劣对比，提出了采用Actifl高效沉淀池为核心技术的处理工艺，符合“因矿制宜”的原则；
2：对矿区进行升级改造，充分利用现有水处理构筑物为原则，大大节约工程改造投资；
3：在对建后运行的处理厂出水水质进行连续监测，结果证明其出水水质良好，主要污染物包括COD、SS、石油类和氟化物的浓度分别为10、30、1.1和0.8 mg/L左右，达到了排放标准，可回收再利用；
4：在对本工程运行成本分析时，计算了包括电费、人工费、药剂费等在内的运行费用后汇总得出本工程实际的金额，吨水处理成本远远低于国内平均吨水处理费用。
5：本研究的创新之处就是将Actiflo高效沉淀池工艺成功的运用到工程实践中，通过对石圪台煤矿矿井水进行改造，不仅使矿井水的出水水质得到质的提升，同时通过处理水的回用起到了水资源循环利用、解决矿区缺水的问题，更重要的是，在我国是为数不多的可将该工艺运用到矿区矿井水的处理中，本工程的各构筑物参数、成本等为以后本工艺的工程继续深研提供了可靠的理论基础与技术支持，是煤矿矿井水处理厂成功改造的案例，工程充分利用原有水处理构筑物，工程改造费用低，意义重大，是以后煤矿矿井水处理厂改造的方向。
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论文作者:安小锐
论文发表刊物:《基层建设》2017年第28期
论文发表时间:2017/12/31
标签：污泥论文; 矿井论文; 水处理论文; 絮凝论文; 水质论文; 煤矿论文; 工艺论文; 《基层建设》2017年第28期论文;